JP2014169681A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】給気経路に供給された空気の給気温度を予め定めた所定の温度範囲に収めることができるエンジンを提供する。
【解決手段】給気経路にインタークーラを設け、インタークーラと熱交換器との間に冷却水を循環させる冷却水回路を設けたエンジンにおいて、冷却水回路における熱交換器からインタークーラに到る冷却水の第１経路と冷却水回路におけるインタークーラから熱交換器に到る冷却水の第２経路とをバイパスするバイパス経路を設け、第１経路とバイパス経路との合流部または第２経路とバイパス経路との分岐部に三方弁を設け、インタークーラ通過後の給気経路に温度センサを設け、温度センサにより検知した検知温度が予め定めた所定の温度範囲に収まるように三方弁のバイパス経路に対する開口と熱交換器側の経路に対する開口との割合を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気（または給気）経路に供給された空気を冷却水により冷却するエンジンに関する。

吸気経路に供給された空気を冷却水により冷却するエンジンとして、例えば、吸気経路にインタークーラを設け、インタークーラと熱交換器との間に冷却水を循環させる冷却水回路を設けたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−２２３０５５号公報

このようなエンジンでは、湿度（絶対湿度）が比較的低い環境において給気経路に供給された空気の給気温度が高くなると、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量が増加する傾向がある。一方、給気経路に供給された空気の給気温度が低くなり過ぎると、インタークーラ内で発生する結露による空気の水分が影響して気筒内の点火不良により失火の原因となったり、発電効率が低下したりすることがある。このため、給気経路に供給された空気の給気温度を予め定めた所定の温度範囲に収めることが重要な課題となっている。

しかしながら、特許文献１には、吸気経路に供給された空気の吸気温度自体を所定の温度範囲に収める構成については何も示されていない。

そこで、本発明は、吸気（または給気）経路に供給された空気の給気温度を予め定めた所定の温度範囲に収めることができるエンジンを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために、給気経路にインタークーラを設け、前記インタークーラと熱交換器との間に冷却水を循環させる冷却水回路を設けたエンジンにおいて、前記冷却水回路における前記熱交換器から前記インタークーラに到る前記冷却水の第１経路と前記冷却水回路における前記インタークーラから前記熱交換器に到る前記冷却水の第２経路とをバイパスするバイパス経路を設け、前記第１経路と前記バイパス経路との合流部または前記第２経路と前記バイパス経路との分岐部に三方弁を設け、前記インタークーラ通過後の前記給気経路に温度センサを設け、前記温度センサにより検知した検知温度が予め定めた所定の温度範囲に収まるように前記三方弁の前記バイパス経路に対する開口と前記熱交換器側の経路に対する開口との割合を制御することを特徴とするエンジンを提供する。

本発明によると、前記温度センサにより検知した検知温度が予め定めた所定の温度範囲に収まるように前記三方弁の前記バイパス経路に対する開口と前記熱交換器側の経路に対する開口との割合を制御するので、前記給気経路に供給された空気の給気温度を予め定めた所定の温度範囲に収めることが可能となる。

本発明の実施の形態に係るエンジンにおける給気冷却システムを中心に示す概略ブロック図である。 図１に示すエンジンにおける制御部を中心に示すシステムブロック図である。 エンジンにおける制御部による給気冷却システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るエンジン１００における給気冷却システム２００を中心に示す概略ブロック図である。

図１に示すエンジン１００は、エンジン部１１０に空気ＡＲを導く給気経路１２０と、給気経路１２０によってエンジン部１１０に空気ＡＲを供給する吸気（または給気）部１３０と、給気経路１２０に供給された空気ＡＲを冷却する給気冷却システム２００とを備えている。

給気冷却システム２００は、給気経路１２０に設けられたインタークーラ（冷却器）２１０と、冷却水ＷＡの熱交換器２２０と、インタークーラ２１０と熱交換器２２０との間に冷却水ＷＡを循環させる冷却水回路２３０とを備えている。

インタークーラ２１０は、給気経路１２０に供給された空気ＡＲを冷却水ＷＡによって冷却するものである。

熱交換器２２０は、冷却水ＷＡの熱を放熱するクーラ放熱用熱交換部２２１と、クーラ放熱用熱交換部２２１の熱を回収する熱回収用熱交換部２２２とを備えている。

冷却水回路２３０は、熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１からインタークーラ２１０に到る冷却水ＷＡの第１経路２３１と、インタークーラ２１０から熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１に到る冷却水ＷＡの第２経路２３２と、単位時間当たりに一定または略一定の水量Ｋで冷却水ＷＡを循環させる冷却水ポンプ２３３とを有している。

そして、給気冷却システム２００は、バイパス経路２４０と電動三方弁２５０（三方弁の一例）とをさらに備えている。

バイパス経路２４０は、冷却水回路２３０における第１経路２３１と第２経路２３２とをバイパスして冷却水ＷＡを第２経路２３２の途中から分流させて第１経路２３１に流すものである。

電動三方弁２５０は、バイパス経路２４０および第１経路２３１の熱交換器２２０側からそれぞれ冷却水ＷＡを流入させる２つの入口部２５１，２５２と、２つの入口部２５１，２５２からの冷却水ＷＡを合流させて流出させる１つの出口部２５３と、２つの入口部２５１，２５２のうち、一方の入口部２５１における開口と他方の入口部２５２における開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］を変更可能な構成とされた電動駆動部２５４とを備えている。詳しくは、電動三方弁２５０は、一方の入口部２５１における開口の割合Ｒ１［％］が増加すると、他方の入口部２５２における開口の割合Ｒ２［％］が減少し、一方の入口部２５１における開口の割合Ｒ１［％］が減少すると、他方の入口部２５２における開口の割合Ｒ２［％］が増加するものであり、弁開度−流量特性が互いに相反する特性を有するものである。また、電動三方弁２５０は、二つの入口部２５１，２５２のうち、一方の入口部２５１から流入される冷却水の単位時間当たりの水量Ｋａと、他方の入口部２５２から流入される冷却水の単位時間当たりの水量Ｋｂとの和（すなわち出口部２５３から流出される冷却水の単位時間当たりの水量）が冷却水ポンプ２３３の単位時間当たりの水量Ｋと等しくまたは略等しくなる構成とされている。なお、電動三方弁２５０は、従来公知のものを用いることができ、ここでは、詳しい説明は省略する。

電動三方弁２５０は、第１経路２３１とバイパス経路２４０との合流部αまたは第２経路２３２とバイパス経路２４０との分岐部βに設けることができる。

電動三方弁２５０は、第２経路２３２とバイパス経路２４０との分岐部βに設ける場合よりも、電動三方弁２５０からインタークーラ２１０に到る冷却水ＷＡの経路を短くするという観点から、ここでは、第１経路２３１とバイパス経路２４０との合流部αに設けられている。これにより、後述するように、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０に対する開口と熱交換器２２０側の経路に対する開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］を変化させたことによる作用をインタークーラ２１０に速やかに応答させることが可能となる。

冷却水ポンプ２３３は、第１経路２３１におけるバイパス経路２４０との合流部αよりもインタークーラ２１０側または第２経路２３２におけるバイパス経路２４０との分岐部βよりもインタークーラ２１０側に設けることができる。

冷却水ポンプ２３３は、ここでは、第１経路２３１におけるバイパス経路２４０との合流部αよりもインタークーラ２１０側に設けられており、インタークーラ２１０側に向けて（図１に示す例では反時計回りに）冷却水ＷＡを循環させるようになっている。

具体的には、第１経路２３１は、インタークーラ側経路２３１ａと、中間経路２３１ｂと、熱交換器側経路２３１ｃとで構成されている。

インタークーラ側経路２３１ａは、一端がインタークーラ２１０の入口部２１１に連通される一方、他端が冷却水ポンプ２３３の出口部２３３ｂに連通されている。中間経路２３１ｂは、一端が冷却水ポンプ２３３の入口部２３３ａに連通される一方、他端が合流部αに設けられた電動三方弁２５０の出口部２５３に連通されている。熱交換器側経路２３１ｃは、一端が合流部αに設けられた電動三方弁２５０の他方の入口部２５２に連通される一方、他端が熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１の出口部２２１ｂに連通されている。

第２経路２３２は、一端が熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１の入口部２２１ａに連通される一方、他端がインタークーラ２１０の出口部２１２に連通されている。

バイパス経路２４０は、一端が第１経路２３１との合流部αに設けられた電動三方弁２５０の一方の入口部２５１に連通される一方、他端が第２経路２３２との分岐部βに連通されている。

給気経路１２０は、吸気（または給気）部１３０からの空気ＡＲをエンジン部１１０に導くようになっている。吸気（または給気）部１３０は、給気経路１２０に設けられて空気（外気）ＡＲを圧縮する過給機１３１と、給気経路１２０の過給機１３１よりも上流側に設けられたエアフィルタ１３２とを有している。給気経路１２０は、一端がエンジン部１１０の給入側に連通される一方、他端側が吸気（または給気）部１３０内に設けられている。

また、給気冷却システム２００は、熱交換器２２０において冷却水ＷＡの熱を放熱して回収した熱を冷却する冷却部２６０をさらに備えている。

冷却部２６０は、冷却塔２６１と冷却回路２６２とを備えている。冷却塔２６１は、熱交換器２２０における熱回収用熱交換部２２２に供給する冷却水ＷＢを貯溜するものである。冷却回路２６２は、熱交換器２２０における熱回収用熱交換部２２２と冷却塔２６１との間に冷却水ＷＢを循環させるものである。冷却回路２６２は、熱交換器２２０における熱回収用熱交換部２２２から冷却塔２６１に到る冷却水ＷＢの第１経路２６２ａと、冷却塔２６１から熱交換器２２０における熱回収用熱交換部２２２に到る冷却水ＷＢの第２経路２６２ｂと、一定または略一定の水量で冷却水ＷＢを循環させるポンプ（図示省略）とを有している。

なお、本実施の形態では、冷却部２６０は、水冷式ものとしたが、空冷式のものであってもよい。

かかる構成を備えた給気冷却システム２００では、第１経路２３１におけるバイパス経路２４０との合流部αよりもインタークーラ２１０側および第２経路２３２におけるバイパス経路２４０との分岐部βよりもインタークーラ２１０側では、電動三方弁２５０の出口部２５３側となるため、単位時間当たり一定または略一定の水量Ｋで冷却水ＷＡを流することができる。一方、バイパス経路２４０および熱交換器２２０側では、電動三方弁２５０の入口部２５１，２５２側となるため、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０に対する開口と熱交換器２２０側の経路（ここでは第１経路２３１におけるバイパス経路２４０との合流部αよりも熱交換器２２０側の経路）に対する開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］に応じた単位時間当たりの水量Ｋａ，Ｋｂ（Ｋ＝Ｋａ＋Ｋｂ）で冷却水ＷＡを流すことができる。つまり、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を増加させてバイパス経路２４０に流れる冷却水ＷＡの単位時間当たりの水量Ｋａを増加させるとそれに応じて電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を減少させて熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１に流れる冷却水ＷＡの単位時間当たりの水量Ｋｂを減少させることができる。また、電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を増加させて単位時間当たりの水量Ｋｂを増加させるとそれに応じて電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を減少させて単位時間当たりの水量Ｋａを減少させることができる。

このように、給気冷却システム２００では、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０に対する開口と熱交換器２２０側の経路に対する開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］に応じて、熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１に通過させる冷却水ＷＡの単位時間当たり水量Ｋｂを制御することができ、従って熱交換器２２０により冷却する冷却水ＷＡの温度を制御することができ、ひいてはインタークーラ２１０による空気ＡＲの温度を制御することができる。

本実施の形態では、エンジン１００は、インタークーラ２１０通過後の給気経路１２０ａに設けられてインタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの給気温度を検知する温度センサ１４０と、エンジン１００全体の制御を司る制御部１５０とをさらに備えている。

詳しくは、温度センサ１４０は、インタークーラ２１０とエンジン部１１０との間の給気経路１２０ａに設けられている。温度センサ１４０は、給気経路１２０ａ（ここでは給気管）の温度をインタークーラ２１０からエンジン部１１０に到るまでの空気ＡＲの給気温度として検知するようになっている。ここでは、温度センサ１４０は、給気経路１２０ａ（ここでは給気管）のインタークーラ２１０の空気ＡＲ出口２１３側の近傍部分（所定距離離れた部分）に設けられている。なお、本実施の形態では、空気ＡＲの温度を温度センサ１４０により給気経路１２０である給気管を介して間接的に検知するようにしたが、直接的に検知するようにしてもよい。

制御部１５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理部１５１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリやフラッシュメモリなどの書き込み可能な不揮発性メモリおよびＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリを含む記憶部１５２とを備えている。

図２は、図１に示すエンジン１００における制御部１５０を中心に示すシステムブロック図である。

エンジン１００は、制御部１５０の処理部１５１が記憶部１５２のＲＯＭに予め格納された制御プログラムを記憶部１５２のＲＡＭ上にロードして実行することにより、各種構成要素を制御するようになっている。また、記憶部１５２における不揮発性メモリには、エンジン１００の動作パラメータや設定データなどの各種システム情報が格納されている。

そして、制御部１５０は、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が予め定めた所定の温度範囲Ｔａ（例えば３８℃±１℃）に収まるように電動三方弁２５０のバイパス経路２４０に対する開口と熱交換器２２０側の経路に対する開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］を制御する給気温度制御手段Ｐ１を備えている。ここで、所定の温度範囲Ｔａは、記憶部１５２の不揮発性メモリに予め設定（記憶）されている。なお、所定の温度範囲Ｔａは、実験等により予め決定しておくことができる。

温度センサ１４０は、制御部１５０の入力系に電気的に接続されており、検知した検知温度（給気温度）を制御部１５０に入力するようになっている。電動三方弁２５０は、制御部１５０の出力系に電気的に接続されており、制御部１５０からの指示信号によって電動駆動部２５４が作動制御されてバイパス経路２４０を通過する熱交換させない冷却水ＷＡの単位時間当たり水量Ｋａと熱交換器２２０におけるクーラ放熱用熱交換部２２１を通過する熱交換させる冷却水ＷＡの単位時間当たり水量Ｋｂとを調整するようになっている。

すなわち、制御部１５０は、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が所定の温度範囲Ｔａ（例えば３８℃±１℃）を上回る場合には、電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を増加させて単位時間当たりの水量Ｋｂを増加させる制御を行う。また、制御部１５０は、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が所定の温度範囲Ｔａ（例えば３８℃±１℃）を下回る場合には、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を増加させて単位時間当たりの水量Ｋａを増加させる制御を行う。また、制御部１５０は、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が所定の温度範囲Ｔａ（例えば３８℃±１℃）内にある場合には、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］および熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を維持して単位時間当たりの水量Ｋａ，Ｋｂを維持する制御を行う。

図３は、エンジン１００における制御部１５０による給気冷却システム２００の制御動作の一例を示すフローチャートである。

図３に示すように、制御部１５０は、先ず、温度センサ１４０によりインタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの給気温度を検知する（ステップＳ１）。

次に、制御部１５０は、記憶部１５２に予め設定されている所定の温度範囲Ｔａを読み出して温度センサ１４０による検知温度が所定の温度範囲Ｔａを上回った否かを判断し（ステップＳ２）、検知温度が所定の温度範囲Ｔａを上回っていない場合には（ステップＳ２：Ｎｏ）、ステップＳ３に移行する一方、検知温度が所定の温度範囲Ｔａを上回った場合には（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を増加させ（ステップＳ４）、ステップＳ７に移行する。これにより、電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を増加させる一方、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を減少させることができ、従って、熱交換させる冷却水ＷＡの熱交換器２２０への単位時間当たりの水量Ｋｂを増加させる一方、熱交換させない冷却水ＷＡのバイパス経路２４０への単位時間当たりの水量Ｋａを減少させることができる。かくして、制御部１５０は、インタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの給気温度を下げる方向に制御することができる。

次に、制御部１５０は、温度センサ１４０による検知温度が所定の温度範囲Ｔａを下回った否かを判断し（ステップＳ３）、検知温度が所定の温度範囲Ｔａを下回っていない場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ５に移行する一方、検知温度が所定の温度範囲Ｔａを下回った場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を増加させ（ステップＳ６）、ステップＳ７に移行する。これにより、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］を増加させる一方、電動三方弁２５０の熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を減少させることができ、従って、熱交換させない冷却水ＷＡのバイパス経路２４０への単位時間当たりの水量Ｋａを増加させる一方、熱交換させる冷却水ＷＡの熱交換器２２０への単位時間当たりの水量Ｋｂを減少させることができる。かくして、制御部１５０は、インタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの給気温度を上げる方向に制御することができる。

次に、制御部１５０は、検知温度が所定の温度範囲Ｔａを上回っても下回ってもいない場合には（ステップＳ２：Ｎｏ，ステップＳ３：Ｎｏ）、電動三方弁２５０のバイパス経路２４０への開口の割合Ｒ１［％］および熱交換器２２０側の経路への開口の割合Ｒ２［％］を維持する（ステップＳ５）。これにより、熱交換させない冷却水ＷＡのバイパス経路２４０への単位時間当たりの水量Ｋａ、および熱交換させる冷却水ＷＡの熱交換器２２０への単位時間当たりの水量Ｋｂを維持することができる。

次に、制御部１５０は、運転終了の指示があるまで（ステップＳ７：Ｎｏ）、ステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返し、運転終了の指示があると（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、運転を終了する（ステップＳ８）。

以上説明したように、本実施の形態に係るエンジン１００では、温度センサ１４０により検知したインタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの検知温度（給気温度）が予め定めた所定の温度範囲Ｔａに収まるように電動三方弁２５０のバイパス経路２４０に対する開口と熱交換器２２０側の経路に対する開口との割合Ｒ１［％］，Ｒ２［％］を制御するので、給気経路１２０からエンジン部１１０に供給する空気ＡＲの給気温度を予め定めた所定の温度範囲Ｔａに収めることが可能となる。

しかも、エンジン部１１０に供給する空気ＡＲを冷却させるにあたって、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が所定の温度範囲Ｔａを上回るときには、熱交換させる冷却水ＷＡの熱交換器２２０への単位時間当たりの水量Ｋｂを増加させる一方、熱交換させない冷却水ＷＡのバイパス経路２４０への単位時間当たりの水量Ｋａを減少させ、温度センサ１４０により検知した検知温度（給気温度）が所定の温度範囲Ｔａを下回るときには、熱交換させない冷却水ＷＡのバイパス経路２４０への単位時間当たりの水量Ｋａを増加させる一方、熱交換させる冷却水ＷＡの熱交換器２２０への単位時間当たりの水量Ｋｂを減少させることができ、これにより、エンジン部１１０に供給する空気ＡＲを迅速にかつ安定的に冷却させることが可能となる。

ところで、四季のある日本のような地域において、冬季では気温が低いことからインタークーラ２１０通過後の空気ＡＲの給気温度が低くなるため、また、夏季では気温が高いものの湿度（絶対湿度）が高いことから空気ＡＲに凝縮水が含まれやすくなるため、何れにしてもＮＯｘの排出量が減少する傾向にある。これに対して、春・秋の中間季では気温が冬季よりも高く湿度（絶対湿度）が夏季よりも低いため、ＮＯｘの排出量が増加する傾向にある。従って、本実施の形態に係るエンジン１００では、ＮＯｘの排出量が増加する傾向にある春・秋の中間季で、特に有効となる。

なお、本実施の形態に係るエンジン１００は、それには限定されないが、例えば、系統連系運転で発電を行う発電機、自立運転で発電を行う発電機、或いは系統連系運転と自立運転とを切り換えて発電を行う発電機に好適に用いることできる。

本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、かかる実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１００ エンジン
１１０ エンジン部
１２０ 給気経路
１３０ 吸気（または給気）部
１３１ 過給機
１３２ エアフィルタ
１４０ 温度センサ
１５０ 制御部
１５１ 処理部
１５２ 記憶部
２００ 給気冷却システム
２１０ インタークーラ
２２０ 熱交換器
２２１ クーラ放熱用熱交換部
２２２ 熱回収用熱交換部
２３０ 冷却水回路
２３１ 第１経路
２３１ａ インタークーラ側経路
２３１ｂ 中間経路
２３１ｃ 熱交換器側経路
２３２ 第２経路
２３３ 冷却水ポンプ
２４０ バイパス経路
２５０ 電動三方弁２５０（三方弁の一例）
２６０ 冷却部
２６１ 冷却塔
２６２ 冷却回路
ＡＲ 空気
ＷＡ 冷却水
ＷＢ 冷却水
α 合流部
β 分岐部

Claims (1)

1. 給気経路にインタークーラを設け、前記インタークーラと熱交換器との間に冷却水を循環させる冷却水回路を設けたエンジンにおいて、
   前記冷却水回路における前記熱交換器から前記インタークーラに到る前記冷却水の第１経路と前記冷却水回路における前記インタークーラから前記熱交換器に到る前記冷却水の第２経路とをバイパスするバイパス経路を設け、
   前記第１経路と前記バイパス経路との合流部または前記第２経路と前記バイパス経路との分岐部に三方弁を設け、
   前記インタークーラ通過後の前記給気経路に温度センサを設け、
   前記温度センサにより検知した検知温度が予め定めた所定の温度範囲に収まるように前記三方弁の前記バイパス経路に対する開口と前記熱交換器側の経路に対する開口との割合を制御することを特徴とするエンジン。

Images